罗为，熊光启，熊晨晨，郑亚林，王冲

(重庆大学材料科学与工程学院，重庆，400030)

现代建筑逐渐向高层化、轻量化、大跨化方向发展，轻质高强混凝土(HSLC)在满足结构要求的同时，大幅降低了自重，已被广泛应用于土木工程中。它同时也具备优异的隔热、吸声、防火和抗冻等性能[1]。但是由于HSLC 的高脆性，即在达到峰值荷载后会突然毫无征兆的断裂，限制了它的大规模工程应用。在HSLC中加入纤维是一种有效的增韧阻裂方法，一直是国内外学者的研究热点。IQBAL等[2]发现，在自密实轻质高强混凝土中掺入一定量的钢纤维，可以有效地提高劈裂抗拉强度和弯曲强度，并且能产生应变强化行为。GAO等[3]研究发现，相比于不掺纤维的HSLC，钢纤维体积分数在1.0%以上的SFHSLC 劈裂抗拉强度有较为显著的提升。然而，WANG等[4]发现钢纤维掺量从1.5%增加至2.0%时，SFHSLC 的劈裂抗拉强度提升幅度并不大。此外，HUANG 等[5]的研究也表明，当钢纤维掺量从1.5%增加至2.0%时，抗压强度反而下降。SOUFEIANI 等[6]指出，当钢纤维掺量超过1.5%时，会出现纤维成团现象，很难通过搅拌使钢纤维分散均匀。BOULEKBACHE等[7]指出钢纤维的分布和取向对抗弯强度有显著影响，当钢纤维沿着拉应力方向定向分布时，抗弯强度大幅提升，同时能提高混凝土的工作性。MUDADU 等[8]也表示钢纤维的分布和取向是混凝土裂后性能的主要影响因素。因此，为了充分发挥高掺量钢纤维的增韧效果，必须保证钢纤维在搅拌过程中能分散均匀，取向合理。然而，传统的强制式搅拌存在速度梯度区和低效搅拌区[9]，不能满足高钢纤维掺量下新拌混凝土各组分的分散均匀性。振动搅拌工艺具有优异的物料分散性能，引起了广泛的关注，在一定程度上弥补了传统强制搅拌方式的不足。张良奇[10]等研究表明，振动搅拌工艺可以借助振动作用打破部分水泥的团聚，使其分散更加均匀，同时还可以改善混凝土的微观结构。闫绍杰等[11]通过振动搅拌制备大流动性混凝土，发现振动搅拌可以在不降低流动性的情况下改善离析泌水的现象，从而提高混凝土的工作性。王博[12]通过试验得出与普通强制搅拌相比，振动搅拌可以明显改善水泥石与骨料界面结合处的微观形态，同时改善孔结构，从而提升混凝土的强度以及耐久性。黄天勇等[13]用一种新型的气动振动搅拌装置也得到了类似的结论。目前，振动搅拌工艺已广泛应用于水泥稳定碎石[14]、沥青砂浆[15]和再生混凝土[16]，但利用振动搅拌工艺制备SFHSLC的研究尚未见报道。本文作者利用振动搅拌工艺制备SFHSLC，设置5种钢纤维掺量，通过与普通强制搅拌工艺对比，系统分析不同搅拌方式对SFHSLC 的流动性、干表观密度、抗压强度、劈裂抗拉强度和弯曲韧性的影响。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料及其配合比

胶凝材料采用重庆富皇公司生产的P.O 42.5 R水泥和成都亮鉴新材料公司生产的硅灰，水泥化学组成和硅灰性能分别见表1和表2；细集料采用机制砂和陶砂，细度模数分别为2.9和2.1，按体积比9:1复掺；粗集料为湖北宜昌光大陶粒公司生产的碎石型陶粒，筒压强度为6.5 MPa；钢纤维性能见表3；外加剂采用天津冶建公司生产的聚羧酸母液，含固量为41%。

表1 水泥的化学组成(质量分数)Table 1 Chemical composition of cement %

为对比不同搅拌方式对SFHSLC 性能的影响，设置0，0.5%，1.0%，1.5%和2.0% 5 个钢纤维体积掺量，P0～P20 代表普通强制式搅拌方式，Z0～Z20 代表振动搅拌方式，具体配合比见表4。其中，减水剂按胶凝材料质量分数掺加，钢纤维掺量按混凝土体积分数计，用φf表示。

1.2 振动搅拌设备

试验使用的德通许昌双卧轴振动搅拌机的参数见表5，利用搅拌轴和搅拌叶片作为振动活化源，搅拌叶片的排列形式与传统双卧轴搅拌机一样，具有涡旋搅拌特征[17]。物料在搅拌轴和搅拌叶片的振动和强制搅拌下，很快实现均匀拌和。该装置的最大特点是：搅拌机构与激振器一体化设计，搅拌叶片边搅拌边振动，作用面积和空间大,振动能量分布均匀，只需较小的振动强度就能达到较好的搅拌效果[18]。对混凝土拌合物进行振动搅拌，可以使物料颗粒处于颤振状态，物料间的内摩擦力大大降低，便于水泥颗粒分散[19]。

1.3 成型工艺

成型试验分别在搅拌机振动搅拌和普通搅拌2种方式下进行。首先，将水泥、硅灰、粗细集料投入搅拌机中干拌30 s，然后将钢纤维均匀撒入，最后加入水和外加剂继续搅拌90 s直至得到均匀拌合物。卸料后，每组取10 L 拌合物进行坍落度测试，剩余浆料迅速入模振捣成型。所有试模置于常温养护1 d，脱模后试件储存在标准养护室内直至测试龄期。

表2 硅灰的性能Table 2 Performance of silica fume

表3 钢纤维性能Table 3 Performance of steel fiber

表4 SFHSLC配合比Table 4 Mix proportion of SFHSLC

表5 振动搅拌机参数Table 5 Parameters of vibration mixer

1.4 试验测试方法

1.4.1 坍落度和干表观密度

坍落度的测试依据GB/T 50080—2016“普通混凝土拌合物性能试验方法标准”进行。

干表观密度的测定依据JGJ51—2002“轻骨料混凝土技术规程”进行，取28 d 龄期的长×宽×高为100 mm×100 mm×100 mm 立方体试块置于干燥箱中(105±5)℃，烘至恒质量，用电子天平称量，排水法测定试件体积，计算得到干表观密度。

1.4.2 抗压强度和劈裂抗拉强度

采用长×宽×高为100 mm×100 mm×100 mm 立方体试件，抗压强度和劈裂抗拉强度的测试依据GB/T 50081—2016“普通混凝土力学性能试验方法标准”进行。

1.4.3 抗弯性能

采用长×宽×高为100 mm×100 mm×400 mm 的棱柱体试件进行三点弯曲测试，试验依据JG/T 472—2015“钢纤维混凝土”进行。通过新三思CMT5305(300 kN、精度为0.5 级)万能试验机获取荷载-挠度曲线，测试跨度为300 mm，加载速度恒为0.2 mm/min，加载时间为15 min，数据采集工作由计算机完成。

2 试验结果与讨论

主要的试验结果如表6所示。

2.1 坍落度

不同搅拌方式下SFHSLC 的坍落度如图1所示。从图1可知：随着钢纤维掺量的增加，SFHSLC的坍落度均呈下降趋势。这是由于钢纤维的掺入在混凝土中形成三维乱向分布体系，相互搭接形成空间网状结构，固定约束轻集料的同时，增大混凝土的黏聚性，以至于钢纤维掺量达1.5%时，坍落度均降为0。然而，当钢纤维掺量为0，0.5%和1.0%时，相比于普通搅拌方式，由振动搅拌方式制备的SFHSLC坍落度明显增大，增加值都在10 mm 以上。这是由于振动作用使得混凝土基体各物料分散性增加的同时，在振动搅拌作用下纤维分散更容易趋于均匀[20]，从而流动性增加。

表6 试验结果Table 6 Test results

2.2 干表观密度

图1 不同搅拌方式下SFHSLC的坍落度Fig.1 Slump of SFHSLC in different mixing methods

图2 不同搅拌方式下SFHSLC的干表观密度Fig.2 Dry density of SFHSLC in different mixing methods

图2所示为不同搅拌方式下SFHSLC的干表观密度，随着钢纤维掺量增加，SFHSLC的干表观密度随之增加，但仍满足轻量化工程要求[21]。同时在相同纤维掺量的配合比下，由振动搅拌方式制备的混凝土干表观密度均比普通强制搅拌的高，这反映出振动搅拌可增加物料分散的均匀性，进一步增大SFHSLC的密实度。

2.3 抗压强度

不同搅拌方式下的SFHSLC的28 d抗压强度如图3所示。从图3可知：当掺入钢纤维后，2 种搅拌方式制备的SFHSLC抗压强度均有显著提高，在普通搅拌方式下，SFHSLC抗压强度首先随着钢纤维掺量的增加而提高，当纤维掺量为1.0%时达到最大值，当纤维掺量为1.5%和2.0%时，强度下降，这是由于掺量过高纤维出现团聚成球所致；而在振动搅拌方式下，当纤维掺量从0 增加至2.0%时，混凝土抗压强度随着钢纤维掺量的提高而持续增加。

图3 不同搅拌方式下SFHSLC的28 d抗压强度Fig.3 28 d compressive strength of SFHSLC in different mixing methods

从图3还可以看出：相对于普通搅拌，振动搅拌制备的钢纤维混凝土强度均有增加。主要原因有：1)振动搅拌可以增大HSLC的密实度，使得内部孔隙数量减少[12]；2)振动搅拌具有的能量可以使水泥颗粒持续处于颤动状态，改善絮凝结构，原本团聚的水泥颗粒均匀分散，增加了水化产物成核位点，使得水化反应的速率加快，明显改善SFHSLC的匀质性和强度；3)振动搅拌可以有效解决轻集料离析上浮问题，使其分布更加均匀。振动搅拌使得轻集料混凝土基体物料分散均匀性增加(这可以从混凝土表观密度增加得到验证)之外，也可提高纤维分散均匀性。以钢纤维掺量为2.0%为例，不同搅拌方式的SFHSLC断面图片如图4所示。从图4可知：在普通搅拌方式下，钢纤维成团现象明显，造成SFHSLC不完全密实，抗压强度降低；而在振动搅拌方式下，钢纤维均匀分散，避免了纤维成团导致的应力集中，增强了钢纤维与基体在载荷下的协同作用，从而提高了抗压强度。

2.4 劈裂抗拉强度

不同搅拌方式下SFHSLC的劈裂抗拉强度如图5所示。从图5可知：2 种搅拌方式下，随着钢纤维掺量的增加，混凝土的劈裂抗拉强度皆随之增加，这是因为钢纤维能阻碍裂缝的扩展，随着单位区域桥联纤维数变多，更能提高混凝土承受荷载的能力。

图4 不同搅拌方式下SFHSLC的断面图Fig.4 Cross section of SFHSLC in different mixing methods

对比2种搅拌方式下的SFHSLC劈裂抗拉强度可知：每一种掺量条件下都是振动搅拌时比普通搅拌时的大，增幅为3%～9%。振动搅拌方式下，由于振动作用增强了纤维与浆体之间的摩擦黏结强度[22]，使得SFHSLC 在拉拔过程中消耗更多能量，因此劈裂抗拉强度更高。与抗压强度规律不同的是，普通搅拌方式下劈裂抗拉强度随纤维掺量增加仍持续增长，并没有出现纤维团聚成球情况下的强度下降，这是因为部分成团的纤维导致钢纤维总表面积下降，使得砂浆平均包裹层厚度增加，浆体与轻骨料的结合能力因此提高[23]，从而阻碍了界面微裂缝的扩展。

图5 不同搅拌方式下SFHSLC的劈裂抗拉强度Fig.5 Splitting tensile strength of SFHSLC in different mixing methods

2.5 弯曲韧性

不同搅拌方式下SFHSLC 的荷载-挠度曲线见图6。由图6可以看出：未掺钢纤维的HSLC 的荷载-挠度曲线的荷载在达到峰值后突降，为脆性断裂，而掺入钢纤维后，SFHSLC展现出显著的裂后韧性特征。在相同掺量下，Z组曲线比P组曲线更加丰满，说明振动搅拌可以提高SFHSLC的韧性。

SFHSLC的弯曲行为可以划分为挠度硬化和挠度软化2种类型，表现为挠度硬化的SFHSLC具有更高的裂后持荷能力[24]。由图6还可以看出：钢纤维掺量为0.5%时，SFHSLC 都呈现出挠度软化特征，而掺量为1.5%和2.0%时，SFHSLC 皆呈现出挠度硬化的特征，这说明提高钢纤维掺量可以提高SFRHSLC 的裂后持荷能力。而掺量为1.0%时，P10表现为挠度软化，而Z10表现为挠度硬化，弯曲行为发生改变，说明在该掺量下，振动搅拌大幅提高了SFHSLC的裂后韧性。

SFHSLC 弯曲韧性评价方法参考标准JGT 472—2015，相关计算结果见表7。其中：fftm为抗弯强度；Re,p为初始弯曲韧度比；Re,k为对应于跨中挠度为L/k处的弯曲韧度比，L为跨距，k取500，300，250，200和150。由于试验所得荷载-挠度曲线峰值跨中挠度较大，只取k为250，200和150进行计算。从物理意义上来讲，Re,p反映了SFRHSLC达到峰值荷载前的弯曲韧性，其值越大，表示在峰值荷载前钢纤维对混凝土增强效果越好；Re,k反映了SFHSLC的残余弯曲韧性，其值越大，表示钢纤维对混凝土残余弯曲强度和后续持荷能力的贡献越大[25]。

从表7可知：SFHSLC的fftm随着钢纤维掺量的增加显著增大，且相同掺量时，振动搅拌组的fftm明显比普通组的高，在钢纤维掺量为0.5%时增幅高达24%。在相同掺量下，P组与Z组的Re,p之间的对比情况无明显变化规律，这表明振动搅拌对SFHSLC峰前韧性的改善主要体现在提高强度上。

从表7还可以看出：在相同钢纤维掺量时Z组残余弯曲韧度比大于P组残余弯曲韧度。随跨中挠度增大，残余弯曲韧度比从Re,250到Re,150不断降低，说明SFHSLC残余弯曲强度随变形增大而降低。同时，相同掺量下，Z组残余弯曲韧度比降幅普遍比P 组的小，说明Z 组SFHSLC 裂后持荷能力更强，残余弯曲强度较高。P10与Z10相比，虽然裂后韧性较低，但是相同挠度位置的残余弯曲韧度比却更大，这是因为P10弯曲行为为挠度软化，且加载过程中无明显弹塑性变形段。在到达峰值后，受试件脆性影响，荷载发生突降，但纤维的桥联作用使试件仍具有抵抗变形的能力，随位移增大，曲线得到二次上升，产生假挠度硬化现象，因此，Re,250与Re,200差异不大。Z10 初裂荷载小于峰值荷载，弯曲行为为挠度硬化，此时试件具有良好的持荷能力，裂后曲线缓慢降低，不会出现假挠度硬化现象，因此，Z10的残余弯曲韧度比降低幅度更大。

图6 不同搅拌方式下荷载-挠度曲线Fig.6 Load-deflection curve in different mixing methods

上述表明，在相同掺量下，振动搅拌相对于普通搅拌可以明显提高SFHSLC的抗弯强度和裂后韧性。这是由于，初裂前，SFHSLC基体与钢纤维共同承担外部荷载，振动搅拌提高了SFHSLC的密实度，进而提高抗弯强度；初裂之后，钢纤维通过黏结力横贯裂缝传递内力，跨越裂缝的纤维将荷载传递给裂缝的两侧面，宏观裂缝扩展的同时钢纤维依次脱粘被拔出。振动搅拌改善了钢纤维的分散均匀性及其与基体间的界面黏结强度，从而提高了SFHSLC的裂后韧性。

表7 弯曲韧性计算结果Table 7 Calculated results about flexural toughness

3 结论

1)振动搅拌相比于普通搅拌方式，在未掺钢纤维时，HSLC 的干表观密度提高明显，从1 861 kg/m3增长到了1 935 kg/m3，密实度大大提高。

2)相比于普通搅拌，在振动搅拌条件下，无纤维掺入的素混凝土强度提高了22%；当钢纤维掺量为1.5%和2.0%时，SFHSLC 未出现普通搅拌方式下的纤维团聚成球，强度仍有显著提高，分别提高11%和15%。同时，不同掺量的SFHSLC劈裂抗拉强度均有不同程度的提高。

3)在相同钢纤维掺量下，振动搅拌可以明显提高SFHSLC的抗弯强度和裂后韧性。钢纤维掺量为0.5%时，振动搅拌方式下SFHSLC 的抗折强度比普通搅拌方式提高了24%；钢纤维掺量为1.0%时，相比于普通搅拌下的挠度软化，振动搅拌方式下SFHSLC的弯曲行为表现出挠度硬化，初始弯曲韧度比Re,p从0.33 上升到了0.52，增韧效果十分明显。